代謝組學在骨質疏松癥中的應用進展

王高祥 尹恒 王建偉*

1．南京中醫藥大學，江蘇 南京 210000 2．南京中醫藥大學無錫附屬醫院，江蘇 無錫 214000

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種早期沒有典型癥狀的全身代謝性骨骼疾病[1]。中老年人一旦發病易導致骨折。骨質疏松性骨折危害巨大，可致殘致死[2]。因此，早發現、早治療對于OP患者而言尤為重要[3]。代謝組學作為系統生物學的一員，可直觀、全面地反映生物體內的代謝物變化[4]，其在OP的早期診斷方面潛力巨大。代謝組學的綜合、系統、動態等分析特性與中醫的整體、辨證、恒動等觀念不謀而合[5]，能為OP的中醫診療提供新的思路和方法。筆者就近年來代謝組學技術在OP中的應用作綜述如下。

1 代謝組學研究概況

1.1 代謝組學的概念

代謝組學是一門定量測量生物樣本中全部代謝物的組成以及這些代謝物在內外刺激下動態改變的科學[6]。

1.2 代謝組學技術

代謝組學技術目前主要有核磁共振法、色譜法和質譜法三種，它們各有其優缺點[7]。 從運用時間上來說核磁共振法最早，可以檢測出絕大部分的化合物，它的優點是進行預處理比較簡單、不損傷樣品并可進行定量數據分析。缺點為不夠靈敏、檢測窗較窄;色譜法能夠對復雜的混合化合物進行組分分離且分離速度較快，具有較廣的應用范圍。但同時也存在著定性能力不夠等缺點;質譜法比起核磁共振法，在專屬性和靈敏度方面具有很大的優勢，質譜法可以同時針對多種類型的代謝化合物進行檢測鑒定和分析且檢測分析速度很快，具有很高的效率。但也存在著整體性、均一性較差的缺點。目前，不同的技術常被聯合應用以優勢互補。聯合應用較多的是色譜-質譜綜合聯用技術[8]，其既具有很好的選擇性和較高的靈敏度，又能夠實現對復雜代謝化合物的定性、定量分析。

1.3 代謝組學數據分析

代謝組學流程有以下幾個步驟：采樣、預處理、采集數據、數據分析和解釋，其中數據的分析和解釋[11-12]是最關鍵的一步。數據分析解釋又分為三大步:①數據的提取即圖譜的可視化；②預處理即濾噪、峰對齊、標準化、歸一化等；③模式識別，包括非監督模式和有監督模式。前者有主成分分析、簇類分析和非線性映射等，后者包括人工神經網絡、偏最小二乘-判別分析、正交最小二乘-判別分析等[13-14]。

2 代謝組學技術在骨質疏松癥診斷方面的研究進展

OP作為一種代謝性疾病，可使患有該病的生物體內的代謝物種類和濃度發生變化。目前，已有越來越多的人嘗試通過代謝組學技術尋找可用于診斷OP的代謝標志物，并試著通過這些代謝標志物進一步研究OP的發病機制。

Ma[15]進行了對卵巢切除骨質疏松大鼠與正常大鼠血漿的代謝分析，發現了花生四烯酸、十八碳二烯酸、支鏈氨基酸、高半胱氨酸、羥脯氨酸和酮體(3-羥基丁酸)、十二碳六烯酸、十二烷酸和賴氨酸等11種成分發生了顯著變化。從對這些潛在生物標志物的分析上來看，該模型骨質疏松癥與糖脂等能量代謝密切相關。Chen[16]采用卵巢切除骨質疏松癥大鼠為模型，運用代謝組學技術對模型的血液進行分析，發現以下13種代謝標志物即富馬酸、檸檬酸、琥珀酸、3-羥基丁酸、天冬氨酸、蘋果酸、牛磺酸、甘氨酸、2-酮戊二酸、乙醇。梁偉東[17]在采用核磁共振的代謝組學技術研究OP的發病機制時，發現OP患者的0-乙酰糖蛋白、脯氨酸、檸檬酸較正常組下降，推斷糖尿病性OP的發病機制可能與糖代謝、氨基酸代謝、能量代謝紊亂有關。羅朵生[18]采用液相色譜-質譜法技術分析OP小鼠模型與正常組之間的代謝物差異，發現了22種OP的代謝標志物，并認為OP的發病可能主要與脂類代謝異常有關。You等[19]在對絕經后女性的血尿代謝產物的分析后發現，絕經后女性的骨密度水平與體內乳酸、丙酮、脂質和極低密度脂蛋白等代謝物水平呈負相關。

目前已有部分研究者利用代謝組學技術檢測分析出正常組和OP組體液中的代謝物種類、濃度及兩組之間的代謝差異，并找到一些OP潛在代謝標志物，有一定的借鑒意義。但大多為以大鼠、小鼠等動物作為模型，臨床研究較少。

3 代謝組學技術在骨質疏松癥中醫證型判別方面的研究進展

目前在運用代謝組學研究OP中醫證型判別方面的研究較少，筆者查閱文獻后僅見吳健雄等有相關研究。吳健雄等[20]研究后認為，雌二醇和胰島素樣生長因子可以用來鑒別OP的肝腎陰虛證以及氣滯血瘀證。其他疾病如糖尿病、高血壓、冠心病等已有較多運用代謝組學在中醫證型判別方面的研究，且大多取得一定成果，這進一步說明運用代謝組學研究OP的中醫證型判別具有廣闊的前景。

4 代謝組學技術在骨質疏松癥中藥干預機制方面的研究進展

中藥作用于機體具有多靶點調節的作用，在干預前后機體的代謝將發生變化。代謝組學技術可檢測出中藥在多靶點干預前后的OP生物體內的代謝物差異，通過這些代謝物差異研究不同中藥或方劑干預的作用靶點及作用機制。目前已有研究者通過代謝組學技術研究中藥干預前后OP生物體內的代謝差異。

熊莉華等[21]通過運用核磁共振法分析雙黃益骨方治療糖尿病性OP治療前后的代謝產物變化后發現，雙黃益骨方治療糖尿病性OP是通過改善機體代謝途徑的紊亂、改善骨合成的原料及物質的調控來發揮功效的。吳凡[22]在《疏肝補腎方治療骨質疏松癥的代謝組學研究》中指出，丙酮、乳酸、N-乙酰糖蛋白、脂肪酸為具有顯著分類意義的骨質疏松模型的生物標記物，可從這4個生物標記物的變化水平來提示藥物是否具有治療骨質疏松癥的作用。 黃月等[23]在進行骨疏丹對糖皮質激素性骨質疏松模型大鼠干預作用的血尿液代謝組學的研究時，共發現了22個潛在代謝標志物，發現OP的發病主要與氨基酸代謝、脂代謝、能量代謝、腸道菌群代謝及腎損傷和體內的氧化應激狀態相關，并發現骨疏丹可通過以上通路對OP大鼠進行調節。李燦[24]在基于液相色譜-質譜法技術對大鼠血漿及組織的多變量統計分析中發現，正常對照組、維甲酸造模的骨質疏松對照組和參靈健骨膠囊給藥組樣本之間的血漿代謝譜存在明顯差異性。潘思娜[25]通過對血清、尿液、骨髓和腎臟的代謝組學研究，從整體水平上闡述了淫羊藿對糖尿病性骨質疏松癥模型代謝異常的調控作用，發現淫羊藿通過調控糖酵解(乳酸)、有氧氧化(檸檬酸、a-酮戊二酸和琥珀酸)、脂質代謝、脂肪酸氧化(3-羥基丁酸和乙酸)、能量代謝(肌酸和肌酐)、氨基酸代謝(谷氨酸、丙氨酸、亮氨酸、牛磺酸和甘氨酸)、磷脂代謝(PC/GPC)、膽堿代謝和腸道菌群失調(馬尿酸和苯乙酰甘氨酸)來發揮其對糖尿病性骨質疏松癥的改善作用。

以上研究者們通過給藥前后機體的代謝組學的變化來研究中藥對機體多靶點的作用機制，并找到一些可能用于反映中藥改善OP的靶點代謝標志物，對OP發病機制研究、中藥對機體的調節機制研究以及OP臨床實驗室評價指標的擴大具有一定意義。

5 結論與展望

筆者通過查閱近年來的相關文獻后發現，纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸、丙氨酸、亮氨酸、乙酸、琥珀酸、乳酸、2-酮戊二酸、琥珀酸、3-羥基丁酸等可能是OP的代謝標志物。

中醫臨床辨證論治缺乏量化、客觀化的指標，給研究帶來了一定困難[26]。以代謝組學為切入點，是一種積極的嘗試。以代謝組學技術為研究手段，檢測不同“證”之間分子代謝物的異同，嘗試建立“證”與特異性代謝標志物之間的關聯[27]，可以為中醫藥治療的規范化、客觀化研究開辟新的途徑。中藥具有多成分、多靶點、綜合調節等作用，在治療OP這類病機復雜的代謝性疾病方面具有優勢。運用代謝組學技術建立符合其自身特點評價體系，闡明其多成分、多靶點的整合作用，可在一定程度上使中藥作用機制研究更具客觀化。

目前代謝組學技術在臨床常見疾病中的應用越來越熱門，但其在骨質疏松領域的應用起步較晚，筆者查閱文獻后發現多為動物實驗。但動物實驗與臨床研究存在巨大差異，如物種間代謝產物差異大、中醫證型難以模擬等，預示著代謝組學技術在OP的臨床應用方面有著廣闊的發展空間。